Biokatalytische Mikrogele (μ-Gelzyme): Synthese, Konzepte und neue Anwendungen

18.11.2020
  Elisabeth Gau und Maximilian Noeth Urheberrecht: BIO VI

Maximilian Nöth, Elisabeth Gau, Falco Jung, Mehdi D. Davari, Islam El-Awaad,* Andrij Pich,* und Ulrich Schwaneberg* Green Chemistry, 2020, DOI 10.1039/D0GC03229H

Gleiche Beteiligung

Projekt: SFB 985

Förderung: DFG: Collaborative Research Centre 985 “Functional Microgels and Microgel Systems; BMBF: Next Generation of Biotechnological Processes – Biotechnology 2020+

Subgroup: Biohybrid Systems and Computational Biology

 

Biokatalytische Mikrogele sind ein attraktiver neuer Katalysatortyp mit großem Anwendungspotenzial für den Bereich der Grünen Chemie.

Enzyme sind Katalysatoren die von der Natur evolviert wurden um (bio)chemische Reaktionen mit beeindruckender Chemo-, Regio- und Stereoselektivität durchführen können. Daher eröffnet sich für enzymkatalysierte Reaktionen ein großes Anwendungspotential für nachhaltige Prozesse aus nachwachsenden Rohstoffen. Die Eigenschaften von Enzymen müssen an die Anforderungen von industriellen Prozessen angepasst werden, um ihre Vorteile bei der großtechnischen Synthese von Feinchemikalien, Lebensmitteln und Pharmazeutika nutzen zu können. Die Immobilisierung von Wildtyp oder evolvierten Enzymen in natürlichen und synthetischen Trägermaterialien wurde in großem Umfang eingesetzt, um deren katalytische Leistung zu verbessern, ihre Rückgewinnung und Wiederverwendung zu gewährleisten und dadurch ihre Verwendung in industriellen Prozessen zu ermöglichen und zu fördern. Mikrogele avancieren als vielversprechende Alternative zu etablierten Trägermaterialien. Letzteres wird durch eine wachsende Zahl an Publikationen unterstrichen, die den Einsatz von Mikrogelen in nachhaltigen katalytischen Prozessen dokumentieren. Mikrogele sind poröse, hochmolekulare und quervernetzte kolloidale Polymernetzwerke von Submikrongröße, die in ihrem Lösungsmittel quellen (z.B. Wasser). Ihre Form und ihr Volumen kann durch externe Stimuli wie Temperatur, pH-Wert, Ionenstärke und Lösungsmittelcharakter angepasst werden. Mikrogele sind aufgrund ihrer chemischen und mechanischen Stabilität, ihrer anpassbaren Architektur, ihrer Biokompatibilität, ihres hohen Wassergehalts und der Möglichkeit hohe Enzymbeladungen zu realisieren, ideale Trägermaterialien für die Immobilisierung von Enzymen. In diesem Übersichtsartikel fassen wir den Fortschritt in der Synthese und Anwendung von enzymbeladenen Mikrogelen zusammen (μ-Gelzyme). Hierbei werden verschiedenen Ansätze für die Enzymimmobilisierung auf oder in Mikrogelen analysiert und repräsentative Beispiele für verschiedene Anwendungen von μ-Gelzymen präsentiert. Des Weiteren wird das Potenzial von μ-Gelzymen für die Anwendung in der Grünen Chemie beleuchtet. Darüber hinaus werden biokatalytische Mikrogele sowie deren Verbesserung und Weiterentwicklung als Teil des aufstrebenden und interdisziplinären Forschungsfelds „interactive soft matter“ diskutiert.

  Kategorisierung von µ-Gelzymen durch die Methode der Enzymimmobilisierung Urheberrecht: Green Chemistry - Royal Society of Chemistry  

Abbildung 1 Kategorisierung von µ-Gelzymen durch die Methode der Enzymimmobilisierung. Enzyme können kovalent in oder auf Mikrogelen immobilisiert oder während der Synthese von Mikrogelen eingebettet werden. Alternativ kann die Responsivität von Mikrogelen auf externe Stimuli (schaltbare Trägermaterialien) für die Enzymimmobilisierung genutzt werden. Adaptiert von Nöth et al. (2020) mit Erlaubnis der Royal Society of Chemistry.